Устройство бесконтактного контроля состояния обмоток однофазных трансформаторов стержневого типа

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 R 31/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4890112/21 (22) 10,12.90 (46) 07.09.92. Бюл. N. 33 (72) А.Г. Сукиязов, В.Н. Гутников, Б.Н. Просянников и В,А. Варков (56) Авторское свидетельство СССР

N 1262426,,кл. G 01 R 31/02. 1985.

Авторское свидетельство СССР

N 1221620, кл. G 01 R 31/02, 1984. (54) УСТРОЙСТВО БЕСКОНТАКТНОГО

КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЙ ОБМОТОК ОДНОФАЗНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ СТЕРЖНЕВОГО ТИПА

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в системах, обеспечивающих автоматический бесконтактный оперативный контроль состояния обмоток однофазных силовых трансформаторов стержневого типа без отключения их от штатной нагрузки.

Известно устройство для обнаружения межвиткового замыкания (1), сущность которого заключается в обнаружении межвиткового замыкания в испытываемых катушках индуктивности путем компенсации магнитных потоков, создаваемых эталонной и испытываемой катушками, для чего испытываемая катушка устанавливается в зазоре магнитной системы стенда с поворотной рамкой, наличие межвиткового замыкания фиксируется поворотом рамки на определенный угол. Недостатками указанного устройства являются необходимость отключения от сети контролируемой катушки в ходе стендовых испытаний, не„„ЯЦ„„1760477 А1 (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для бесконтактного автоматического оперативного контроля состояния обмоток силовых однофазных трансформаторов стержневого типа без отключения их на время проведения проверок от потребителей электрической энергии. Сущность изобретения: устройство содержит датчик 2 магнитного поля рассеяния, блок 3 выделения составляющих тока и напряжения первичной и вторичной обмоток, блок 4 усилителей-преобразователей, блок 5 детекторов, блок 6 пороговых усилителей, блок 7 отображения информации. 2 табл., 5 ил. возможность организации автоматического контроля в процессе эксплуатации для обмоток силовых трансформаторов. подвес которых представляет значительные трудности.

Известно устройство контроля межвитковых замыканий в катушках трансформаторов (Приборы и системы управления, М 11, 1984), сущность которого заключается в обнаружении межвиткового замыкания в обмотке силового трансформатора без магнитной системы путем формирования схемы автогенератора, индуктивностью колебательного контура которого является опорная катушка. размещенная на одном из концов ферритового стержневого сердечника. Испытуемую катушку вносят в электромагнитное поле колебательного контура генератора со стороны другого конца сердечника. В случае наличия короткозамкнутого витка происходит срыв колебаний.

Недостатком указанного устройства является необходимость отключения от сети и

1760477 демонтаж магнитной системы трансформатора для выполнения операций контроля, что в условиях эксплуатации крайне затруднител ьно.

Ближайшим по технической сущности аналогом, выбранным за прототип, являетсА устройство, обеспечивающее оперативный контроль за состоянием обмоток мощных силовых трансформаторов без отключения их от сети (2).

Цель в устройстве, выбранном за прототип, достигается тем, что определяют фактическое значение сопротивления короткого замыкания внутренних обмоток силового трансформатора, сравнивают это значение с эталонным, по превышении определяемой величины над эталонной судят о степени деформации:контролируемой обмотки, измеряют векторы напряжений первичной и вторичной внутренних обмоток трансформатора, определяют разность нормированных векторов напряжений этих обмоток, измеряют величину тока вторичной обмотки силового трансформатора, определяют отношение разности нормированных векторов напряжений первичной и вторичной обмоток к величине этого тока, измеряют частоту напряжения силового трансформатора, находят отношение измеренного значения частоты к эталонному и определяют величину сопротивления короткого замыкания как произведение отношений разности векторов напряжений обмоток к величине тока и измеренной частоты к эталонной. Описанное устройство предполагает подключение измерительной схемы в сетевые цепи с дальнейшим расчетом измеренных параметров оператором.

Устройство, выбранное за прототип, обладает рядом недостатков. Устройство не обеспечивает должной оперативности контроля и возможности автоматизации операций контроля, так как вывод о наличии повреждения оператор делает на основании расчетов, требующих определенных временных затрат. Устройство на обеспечивает необходимой безопасности обслуживающего персонала от поражения электрическим током в процессе производства измерений и технического обслуживания. Возникновение межвитковых замыканий в измерительных трансформаторах тока и напряжения, для ремонта которых необходимо обесточить силовую энергосеть, а следовательно, осуществить перерыв s электроснабжении .потребителей, снижает надежность электроснабжения. Устройство не обеспечивает получения формализованной информации а режиме работы трансформатора.

Целью изобретения является повышение по сравнению с прототипом оперативности контроля состояния обмоток однофазных трансформаторов стержневого типа, достигаемое исключением необходимости производства дополнительных расчетов параметров, повышение электробезопасности операций контроля состояния обмоток, достигаемое гальванической

15 развязкой объекта и схемы контроля, повышение надежности и бесперебойности электроснабжения потребителей, достигаемое исключением необходимости прекращать электроснабжение потребителей для проведения операций контроля; расширение функциональных возможностей схемы контроля, состоящее в простоте автоматизации процесса контроля.

Цель достигается тем, что напротив заранее определенной (например, с помощью геометрического расчета и (или) построения) и маркированной середины обмотки однофазного трансформатора стержневого

20 типа устанавливается (например, с помощью кронштейна или штатива) датчик магнитного поля так, что его ось чувствительности размещается параллельно плоскости сердечника трансформатора, а проекция оси чувствительности составляет с осью обмотки трансформатора угол

90+ ЗОО, выход датчика подключен к блоку выделения составляющих токов и напряжения первичной и вторичной обмоток. В состав устройства входят также блок

30 усилителей-преобразователей, блок детекторов, блок пороговых усилителей и блок отображения информации, причем входы блока усилителей-преобразователей подключены к выходам блока выделения составляющих токов и напряжения первичной и вторичной обмоток, а его выходы соединены с входами блока детекторов, выходы ко40 торого подключены к входам блока схема устройства; на фиг. 2 — векторные диаграммы, соответствующие различным режимам работы трансформатора; на фиг. 3 представлена функциональная схема блока выделения составляющих токов и напряжения первичной и вторичной обмоток; на фиг, 4 поясняется принцип регистрации напряжения на первичной и тока во вторичной обмотках трансформатора; на фиг. 5 представлены дивграммы, поясняющие работу блока выделения составляющих токов и напряжений.

Устройство содержит (фиг. 1) контролируемый однофазный трансформатор 1, дат50

55 пороговых усилителей, соединенных с бло45 ком отображения информации.

На фиг. 1 изображена функциональная

1760477 чик 2 магнитного поля рассеяния, подключенный к блоку 3 выделения составляющих токов и напряжения первичной и вторичной обмоток, а также блок 4 усилителей-преобразователей, блок 5 детекторов, блок 6 пороговых усилителей, блок 7 отображения информации. Входы блока 4 усилителейпреобразователей подключены к выходам блока 3 выделения составляющих токов и напряжения, а выходы блока 4 соединены соответственно с входами блока 5 детекторов, выходы которого подключены к входам блока 6 пороговых усилителей, соединенного с блоком 7 отображения информации, В качестве датчика 2 магнитного поля рассеяния может быть использован либо индукционный измерителhíûé преобразователь с интегратором (Известия ВУЗов.

Электромеханика,№ 3, 1959, с, 124 — 128), либо магнетронный датчик магнитного поля (а, с. СССР ¹ 1367711, 1987). Крепление и установка датчика осуществляется оператором любым механическим или иным способом — в качестве возможной реализации устройства крепления можно рассмотреть штатив или кронштейн. Калибровка устройства осуществляется в процессе его установки при первоначальном условии номинальности режима работы трансформатора — область устойчивой работы устройства определяется мощностью источника излучения (т. е. силой тока, имеющего место в обмотках трансформатора) и чувствительностью используемого типа датчиков..

Блок 3 выделения составляющих токов и напряжения первичной и вторичной обмоток (фиг. 3) содержит измеритель 3.1 мгновенного значения магнитного поля, выход которого подключен к входу управляемого ключа 3.2, управляющий вход которого подключен к выходу генератора 3.3 строб-импульсов, К выходам управляемого ключа 3.2 подключены устройство 3.4, регистрирующее напряжение на первичной обмотке, и устройство 3.5 регистрирующее ток нагрузки во вторичной обмотке трансформатора.

К выходу устройства 3.4 подключено устройство 3.6 получения значения тока первичной обмотки трансформатора.

Принцип действия блока 3 выделения составляющих токов и напряжения первичной и вторичной обмоток состоит в следующем.

Благодаря тому, что сердечник трансформатора является нелинейным элементом, поток магнитного поля рассеяния при наличии на первичной обмотке синусоидального напряжения является несинусоидаль. ным {фиг. 4а). В процессе экспериментального исследования было установлено, что любое на мгновенного значения индукции поля в момент времени tA,óìíîæåííàÿ на соответствующий масштабный коэффициент, регистрируется устройством 3.4 и соответ45 ствует напряжению на первичной обмотке; величина мгновенного значения индукции поля в момент времени ra, умноженная на соответствующий масштабный коэффициент, регистрируется устройством 3.5 и соответствует току во вторичной обмотке, Функция получения значения тока первичной обмотки реализуется в устройстве 3;6 путем умножения измеренного значения напряжения первичной обмотки на масш55 табный коэффициент, обратно пропорциональный сопротивлению первичной обмотки.

Диаграммы, поясняющие работу устройства, представлены на фиг. 5. На фиг. 5а

40 изменение режима работы однофазного трансформатора приводит к изменению магнитного поля рассеяния. При этом обнаружилось, что наиболее четкое разграничение влияния изменения режима работы по входной и выходной обмоткам наблюдается в том случае. когда ось измерения датчика магнитного поля параллельна плоскости сердечника трансформатора, составляет угол 90+ 30 С осью его катушки. Кривая на фиг. 4б соответствует магнитному полю рассеяния при увеличении напряжения на первичной обмотке, при неизменном сопротивлении нагрузки (для сравнения пунктиром показана исходная кривая).

Кривая на фиг, 4в соответствует увеличению тока нагрузки при неизменном напряжении на первичной обмотке.

Выявленное разграничение влияния режима работы трансформатора на форму магнитного поля рассеяния, связанное с нелинейными свойствами сердечника, позволяет реализовать информационное разделение содержания сигнала магнитного поля рассеяния, тем более что положение точек А и В на кривых (фиг. 4в) не зависит от режима работы трансформатора и может быть охарактеризовано, например, временами тд и re, отсчитываемыми от начала периода напряжения на первичной обмотке, Сигнал с датчика магнитного поля рассеяния поступает на измеритель 3.1 мгновенного значения магнитного поля рассеяния, образующий совместно с управляемым ключом 3.2 и генератором 3,3 стробимпульсов синхронный детектор с временной селекцией (фиг. 3), который измеряет мгновенные значения магнитного поля в моменты времени rA u rg . Величи1760477 изображена форма магнитного поля при номинальном режиме работы (сплошная линия) и при перегрузке (пунктир), На фиг. 56 — сформированные строб-импульсы, которые представляют собой сдвоенные импульсы периодичностью 2x/и где в частота напряжения сети. Сдвиг между импульсами Л t определяется конструкцией трансформатора. На фиг. 5в изображены импульсы, характеризующие напряжения .на первичной обмотке, а на фиг, 5г и 5д— импульсы, характеризующие ток нагрузки в норме и при перегрузке соответственно.

Длительность выходных импульсов задается блоком 2.

Техническая реализация устройств, входящих в состав блока 3 выделения составляющих токов и напряжения первичной и вторичной обмоток, блока 4 усилителейпреобраэователей, блока 5 детекторов, блока 6 пороговых усилителей представляет собой инженерную задачу, которая может быть решена на базе типовых схем. приведенных в сборнике: Горошков Б.И. Радиоэлектронные устройства. М.: Радио и связь, 1985 — разнообразные конструкции вышеназванных устройств представлены в главах 4 (например, рис. 4,37 — 4.41, 4.48, 4,49),8 (например, рис. 8.2, 8.6, 8.11) и 13 (например, рис. 13.24, 13.25) соответственно.

Блок 7 отображения информации может иметь различную конструкцию в зависимости от требований потребителя. Типовые конструкции блоков отображения можно найти в книге Справочник по средствам автоматики./Под ред, В.Э.Низе и И.B. Антика.

M,: Энергоиэдат, 1983, разделы 14 и 15.

Принцип обнаружения короткозамкнутых витков в обмотках однофазных трансформаторов заключается в следующем. Как известно из теории электрических машин, для трансформаторов выполняется равенство магнитодвижущих сил в его обмотках

I1 ® 1 + Iz О 2 + !О М 1 = 0 . (1)

Для силовых трансформаторов ток холостого хода составляет 1 — 2ф, от номинального, поэтому в дальнейшем слагаемым

Io e> в уравнении (1) пренебрегаем. При данном допущении уравнени:о (1) соответствует векторная диаграмма на фиг.

2а.

В случае возникновения одного или группы короткоэамкнутых витков с0кр возникает дополнительная магнитодвижущая сила 1кзвкэ, изменяющая величину тока первичной обмотки и режим работы трансформатора. В случае появления короткозамкнутых витков в первичной обмотке (фиг.

26) изменяется величина модуля 1 в, а уравнение (1) имеет вид

f1*40 1+ lz с0 2 + I aN кз = О.

Аналогично описывается работа транс5 форматора при появлении короткозамкнутых витков во вторичной обмотке; векторная диаграмма для данного случая представлена на фиг. 2в.

Заявляемое устройство работает следу10 ющим образом.

Магнитное поле рассеяния, измеряемое датчиком 2 магнитного поля рассеяния, является результатом пространственной суперпозиции магнитных полей, образо15 ванных токами, протекающими в обмотках однофазного трансформатора. Сигнал, пропорциональный модулю В (t) в проекции на ось чувствительности датчика магнитного поля рассеяния, поступает с выхода дат20 чика на вход блока выделения составляющих токов и напряжения первичной и вторичной обмоток. После преобразования сигналы, пропорциональные 1>, Iz u

Ui, поступают в блок усилителей-преобра25 зователей, где происходит фильтрация высокочастотных составляющих сигналов и умножениЕ 11 и IZ на масштабные коэффициенты в и ez соответственно, которыми являются числа витков первичной и вторич30 HQA обмоток. Затем сигналы по соответствующим каналам поступают на вход блока 5 детекторов, где периодические сигналы в 1 и mzlzc кладываются на компараторе, 2

35 с выхода которого снимается сигнал li, С-1, равный я . Сигналы с выхода блока 5 поступают на входы блока 6 пороговых усилителей, выполняющего функции логического

40 коммутатора, возбуждающего на его выходе высокий потенциал при появлении отклонения одного иэ контролируемых параметров.

Таким образом, в соответствии со сформулированным выше принципом абнаруже45 ния короткозамкнутых витков в обмотках однофазного трансформатора в блоке 5 детекторов происходит суммирование электрических сигналов, пропорциональных

1 * в1 и -Iz e2. после чего в блоке порого50 вых усилителей проверяется условие отклонения суммарного сигнала от допустимого, т. е. наличие дополнительных магнитодвижущих сил в обмотках силового трансформатора. Увеличение

55 суммарногосигнала большее к однозначно означает наличие межвитковых замыканий.

Логическая обработка сигналов, поступающих с блока детекторов, производится

1760477

Таблица 1

Сигнал с БОИ

0 0

0 1

1 0

Таблица2

Сигнал с БОИ

0 0

0 1

1 0 блоком пороговых усилителей в соответствии с табл, 1 и 2, где БПУ вЂ” блок пороговых усилителей, БОИ вЂ” блок отображения информации.

Появление высокого потенциала на выходе блока 6 пороговых усилителей приводит к срабатыванию по одному из входов либо по нескольким одновременно блока 7 отображение информации.

Изобретение позволяет существенно повысить электробезопасность работ при обслуживании и эксплуатации силовых высоковольтных сетей электроснабжения, содержащих трансформаторы, повышает надежность их эксплуатации, так как схема контроля не связана гальванически с обмотками высокого и низкого напряжения трансформатора, что исключает возможность пробоя схемы контроля и шунтирования трансформатора и повышает безопасность обслуживающего персонала; увеличить время на принятие решения или логическую обработку информации микропроцессорной системой, включенной в контур управления и регулирования, при этом схема контроля обладает оптимальными параметрами для согласования; повысить надежность и бесперебойность электроснабжения потребителей, так как отсутствует необходимость прекращать электроснабжение потребителей для проведения операций контроля.

Формула изобретения

Устройство бесконтактного контроля состояния обмоток однофазных трансфорСигналы на выхо ах БПУ

Сигналы на выхо ах БПУ маторов стержневого типа, содержащее схему контроля и отображающее устройство, отл и ча ю ще ес я тем, что,c целью повышения оперативности контроля, элект5 робезопасности операций контроля, расширения технологических воэможностей, в устройство введены укрепленный напротив предварительно маркированной середины обмотки контролируемого трансформатора

10 датчик магнитного поля рассеяния, ось чувствительности которого размещается параллельно .плоскости сердечника трансформатора, а ее проекция составляет с осью обмотки трансформатора угол

15 (90+ 30), блок выделения составляющих токов и напряжения первичной и вторичной обмоток, блок усилителей-преобразователей, блок детекторов, блок пороговых усилителей и блок отображения

20 информации, при этом выход датчика магнитного поля подключен к входу блока выделения составляющих токов и напряжения первичной и вторичной обмоток, выходы которого подключены к соОтветствующим вхо25 дам блока усилителей-преобразователей, выходы блока усилителей-преобразователей подключены к соответствующим входам блока детекторов, выходы которого подключены к соответствующим входам блока по30 роговых усилителей, выходы которого соединены с соответствующими входами блока отображения информации.

"Норма"

" Напряжение ниже нормы"

" Нап яжение выше но мы"

" Норма нагрузки"

" Пропадание нагрузки"

" Пе ег зка"

1760477

a) 7да4

1760477

Ir

Vr а!

1760477

a) Составитель А .Сукиязов

Техред М.Моргентал Корректор М .Петрова

Редактор

Производственно-издагельский комбинат "Патент", г; Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3185 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раущская наб., 4/5